CN117155486A - 一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，该方法创新性地提出相位补偿矩阵的概念，将校准流程分为桌面校准与外场校准两个阶段。首先在实验室内通过矢量网络分析仪扫描得到相控阵阵面每个通道所有移相码对应的相位值，分别建立每个通道的相位差值矩阵，然后在外场只需要分别测得每个通道的初始相位，并分别计算得到每个通道的相位补偿矩阵，最后在收到波束合成信号时通过查表获取相位误差补偿，从而实现校准。该方法将大量的测量工作放到实验室中完成，在外场只需要少量的测量工作和部分计算工作就可以完成校准，减少了对设备、环境和人员的依赖。

Description

一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法

技术领域

本发明涉及相控阵阵面校准领域，具体涉及一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，特别适用于不具备传统校准方法实施条件的场合。

背景技术

相控阵阵面是通过改变天线阵列中天线单元的相位，从而改变天线阵列的波束指向，得到不同指向的天线方向图，以实现波束扫描的目的。在相控阵天线馈线网络的每一个天线单元通道中，传输信号的相位应保持一致，以保证相控阵阵面的性能。如果相位控制不好，会对天线波束的副瓣电平、天线增益和波束指向精度等产生影响。因此天线阵面装配完成后必须对阵面的相位进行校准，计算出各通道之间的相位误差，通过波控系统对被测阵面的可调器件如移相器进行调节补偿，使阵面的相位分布得到改善。

现有的校准方法主要分为远场校准和近场校准两大类，远场校准方法一般在外场进行，对天气、场地、设备和人员的要求较高；近场校准方法只能在微波暗室进行，对测量仪器同步性要求高，扫描时间长，数据量大，且暗室的建设与租借的成本较高。因此远场和近场校准方法只适合工厂级校准，在条件不允许的情况下，例如某些大型相控阵阵面根本无法放进暗室中进行测量和校准，或者用户单位不具备校准条件的情况下，需要一种简单快速的校准方法。

201610728764.1中公开了一种基于矩阵选通TR组件幅相的测试方法，方法简单有效，不受外部环境影响，可以在实验室内完成校准，能够有效校准单元幅相误差。但该方法需要在相控阵阵面天线中加装接收测试信号的多路矩阵开关，并不适用于已经生产、交付的相控阵雷达。

202110902101.8中公开了一种相控阵天线快速校准测试系统及方法，其考虑租借暗室的成本过高，提出通过优化校准流程、降低部分模块运算延迟的方式，提升校准和测试效率，有效降低租借暗室的成本。但该方法的校准流程仍需要在暗室中进行，并不适用于大型阵面。

发明内容

本发明提出相位补偿矩阵的概念，将相控阵阵面的校准过程分为桌面校准与外场校准两个阶段,旨在降低现有校准方法对环境、设备和人员的依赖，将主要的测量工作放在实验室内完成，外场只需要少量的测量工作和部分计算工作就可以完成校准。

本发明的技术方案为：种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在实验室内，对待测相控阵进行桌面校准：

在实验室内分别测得相控阵每个通道的原始相位矩阵，并分别对应建立每个通道的相位差值矩阵，以保证相控阵阵面各通道的相位值都处于预置的分布状态下，消除通道间的相对相位误差，转入步骤2；

步骤2、对待测相控阵再进行外场校准：

在外场分别测得相控阵每个通道在初始相位处的相位矩阵，与实验室测得的相位差值矩阵计算得到每个通道的相位偏移矩阵，通过相位调整公式调整各通道的相位控制码，生成每个通道的相位补偿矩阵，利用相位补偿矩阵将相控阵阵面校正为同相分布，以消除通道间的绝对相位误差。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

(1)与传统校准方法相比，使用相位补偿矩阵进行相控阵阵面校准的思想简化了校准流程，减少了需要采集的数据量。

(2)基于相位补偿矩阵的校准算法可在不改变原有硬件的条件下进行算法设计，完美契合软件可重构的理念。

(3)基于相位补偿矩阵，在实验室内只需测得各通道的相位差值矩阵，不需要借助微波暗室，在外场只需测得各通道的相位偏移矩阵，对环境无特殊要求，有效降低了对环境的依赖性，并提高了系统对大型阵面的适应性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法流程图。

图2为桌面校准阶段设备连接图。

图3为外场校准阶段设备连接图。

图4为桌面校准阶段流程图。

图5为外场校准阶段流程图。

图6为相控阵阵面天线阵列图。

具体实施方式

结合图1～图6，本发明提出的一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，其特点在于创新性地提出相位补偿矩阵的概念，并将校准流程分为桌面校准与外场校准两个阶段，具体包括以下步骤：

步骤1、在实验室内，对待测相控阵进行桌面校准：

在实验室内通过控制移相器、波控开关和开关矩阵实现待测相控阵通道和相位的切换，然后利用矢量网络分析仪对某个通道的所有移相码进行数据采集，得到该通道的原始相位矩阵，之后利用原始相位矩阵计算得到该通道的相位差值矩阵，完成单个通道的校准。对所有通道重复上述步骤，得到所有通道的相位差值矩阵，转入步骤2；

步骤2、对待测相控阵再进行外场校准：

在外场分别测得相控阵每个通道在初始相位处的相位值，与该通道的相位差值矩阵计算得到该通道的相位偏移矩阵，进而计算得到该通道的相位补偿矩阵。最后将第一个通道作为基准通道，其他通道在接收到波束合成信号的过程中，根据当前通道相位补偿矩阵计算其与基准通道的相位误差补偿，对波束合成信号进行相位补偿，从而降低相位误差。

参见图2所示，本发明在桌面校准阶段需要的设备为一台控制计算机和一台矢量网络分析仪。

首先通过控制计算机设置矢量网络分析仪初始参数，矢量网络分析仪产生相应的射频发射信号，射频信号经过分路器被送往各个T/R组件，然后通过T/R组件中的波控开关、移相器、发射通道馈送至开关矩阵，其中波控开关根据控制指令决定选通某一路通道，移相器根据控制指令遍历所有移相码。多路信号汇总到开关矩阵后，开关矩阵根据控制指令将某一路通道选通，校准信号返回矢量网络分析，完成一路通道的校准。在控制计算机和波控分机的控制下，依次对相控阵阵面所有通道进行校准。

参见图3所示，外场校准阶段在此基础上增加一个转台和一副标准喇叭天线即可完成校准，不需要复杂的暗室及复杂的校准系统，有效降低了对设备、环境和人员的依赖性。

控制计算机通过控制转台转动来实现相控阵阵面方向的变化，矢量网络分析仪通过喇叭天线发射信号，待测相控阵阵面收到信号后送回矢量网络分析，完成校准。

参见图4所示，桌面校准阶段步骤如下：

步骤1-1、在实验室内，将待测相控阵阵面与矢量网络分析仪连接，转入步骤1-2。

步骤1-2、设置矢量网络分析仪的初始参数，包括起始频率、终止频率、步长、功率，矢量网络分析仪产生相应的射频发射信号，射频信号经分配网络、TR组件、开关矩阵后返回矢量网络分析仪，形成测量环路，转入步骤1-3。

步骤1-3、任意打开相控阵阵面某一个通道的收发开关，该通道选通后转入步骤1-4。

步骤1-4、控制当前通道的移相器置为初始移相码，转入步骤1-5。

步骤1-5、矢量网络分析仪通过连续步进的方法，对各频点读取其相位值，得到当前移相码对应的原始相位矩阵R_m，m为当前移相码的编号，m＝1,2,3…,M，M为移相码个数，转入步骤1-6。

移相器每收到一个校准控制软件发送的相位同步信号，就改变一次移相码。矢量网络分析仪每收到一个校准控制软件发送的相位同步信号，启动一次数据采集，读取所有频点的相位值，再将采集数据发送给校准控制软件。

步骤1-6、控制当前通道的移相器置为下一个移相码，返回步骤1-5，直到遍历完所有移相码，分别得到所有移相码对应的相位差值矩阵R₁...R_M，将所有移相码对应的原始相位矩阵拼接后得到当前通道的原始相位矩阵P_R：

其中，n为扫描频点编号，n＝1,2,3…,N，N为扫描频点总数，R_m,n为第m个移相码在第n个扫描频点处的原始相位值，转入步骤1-7。

步骤1-7、用以下公式计算当前通道的相位差值矩阵P_D：

P_D＝P_R-E*R₁

其中R₁是初始移相码对应的原始相位矩阵，E是n*1的全1矩阵。

得到的P_D为：

其中，D_m,n为R_m,n与R_1,n的差值，转入步骤1-8。

步骤1-8、打开相控阵阵面下一个通道的收发开关，其他通道在此过程中保持关闭，返回步骤1-3，直到遍历完所有通道，分别得到所有通道对应的相位差值矩阵。

步骤2、进行外场校准：

在外场分别测得每个通道在初始相位处的相位矩阵，与实验室测得的相位差值矩阵计算得到每个通道的相位偏移矩阵，进而通过提出的公式调整各通道的相位控制码，生成每个通道的的相位补偿矩阵，利用相位补偿矩阵就能将相控阵阵面校正为同相分布，消除通道间的绝对相位误差。

参见图4所示，外场校准阶段步骤如下：

步骤2-1、在外场中设置标准喇叭天线，将待测相控阵阵面设置在转台上，标准喇叭天线和待测相控阵阵面分别连接矢量网络分析仪，通过转台转动，带动待测相控阵阵面的初始相位与标准喇叭天线相位中心对齐，转入步骤2-2。

步骤2-2、设置矢量网络分析仪的初始参数，包括起始频率、终止频率、步长、功率，矢量网络分析仪产生相应的射频发射信号，射频发射信号通过标准喇叭天线辐射出去，待测相控阵阵面收到辐射信号后送回矢量网络分析仪，形成测量环路，转入步骤2-3。

步骤2-3、任意打开相控阵阵面某一个通道的收发开关，该通道选通后转入步骤2-4。

步骤2-4、测量各个扫描频点在初始移相码处的相位值，得到该通道的外场初始相位矩阵P_I：

[I_1,1 I_1,2 … I_1,n … I_1,N]

其中，I_1,n为初始移相码在第n个扫描频点处的相位值，转入步骤2-5。

步骤2-5、计算当前通道的外场相位矩阵P_O：

P_O＝P_D+E*P_I

得到的为P_O：

其中，O_m,n为D_m,n与I_1,n的差值，转入步骤2-6。

步骤2-6、计算当前通道的相位偏移矩阵P_S：

其中，P_start为起始相位值，P_end为终止相位值，P_step为相位步进，e为M*N的单位矩阵，e_m表示单位矩阵e的第m行，e_n表示单位矩阵e的第n列，O_m,n表示外场相位矩阵P_O在第m行、第n列的值，得到的相位偏移矩阵P_S为：

其中，S_m,n表示相位偏移矩阵P_S在第m行、第n列的值，转入步骤2-7。

步骤2-7、用以下公式计算当前通道的相位补偿矩阵P_C：

其中，K为相位值个数，由P_start、P_end、P_step共同决定，P_k为第k个相位值，S_i为相位偏移矩阵P_S的第i列，w为K*N的单位矩阵，得到的相位补偿矩阵P_C为：

其中，C_k,j表示在第j个扫描频点处，相位值P_k对应的的补偿移相码，转入步骤2-8。

步骤2-8、打开相控阵阵面下一个通道的收发开关，其他通道在此过程中保持关闭，返回步骤2-4，直到遍历完所有通道，分别得到所有通道对应的相位补偿矩阵，转入步骤2-9。

步骤2-9、将各通道的相位补偿矩阵通过波控分机加载至相控阵阵面，转入步骤2-10。

步骤2-10、参见图5所示，相控阵阵面有X*Y个通道，天线阵元横间距为d_x，纵间距为d_y。当某个通道收到波束合成信号时，计算波束合成信号的相位值

其中，λ为波束合成信号的波长，可由波束合成信号的频率f计算得到，θ为波束合成信号的方位角，β为波束合成信号的俯仰角，x表示通道的行编号，y表示通道的列编号，转入步骤2-11。

步骤2-11、根据波束合成信号的频率f和计算得到相位值查询该通道的相位补偿矩阵P_C，得到补偿移相码C_k,j，转入步骤2-12。

步骤2-12、将该通道中移相器的值置为补偿移相码，从而对波束合成信号进行补偿。

Claims (4)

1.一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、在实验室内，对待测相控阵进行桌面校准：

在实验室内分别测得相控阵每个通道的原始相位矩阵，并分别对应建立每个通道的相位差值矩阵，以保证相控阵阵面各通道的相位值都处于预置的分布状态下，消除通道间的相对相位误差，转入步骤2；

步骤2、对待测相控阵再进行外场校准：

在外场分别测得相控阵每个通道在初始相位处的相位矩阵，与实验室测得的相位差值矩阵计算得到每个通道的相位偏移矩阵，通过相位调整公式调整各通道的相位控制码，生成每个通道的相位补偿矩阵，利用相位补偿矩阵将相控阵阵面校正为同相分布，以消除通道间的绝对相位误差。

2.根据权利要求1所述的一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，其特征在于，步骤1中在实验室内，对待测相控阵进行桌面校准，具体如下：

步骤1-1、在实验室内，将待测相控阵阵面与矢量网络分析仪连接，转入步骤1-2；

步骤1-2、设置矢量网络分析仪的初始参数，包括起始频率、终止频率、步长、功率，矢量网络分析仪产生相应的射频发射信号，射频信号经分配网络、TR组件、开关矩阵后返回矢量网络分析仪，形成测量环路，转入步骤1-3；

步骤1-3、任意打开相控阵阵面某一个通道的收发开关，该通道选通后转入步骤1-4；

步骤1-4、控制当前通道的移相器置为初始移相码，转入步骤1-5；

步骤1-5、矢量网络分析仪通过连续步进的方法，对各频点读取其相位值，得到当前移相码对应的原始相位矩阵R_m，m为当前移相码的编号，m＝1,2,3…,M，M为移相码个数，转入步骤1-6；

步骤1-6、控制当前通道的移相器置为下一个移相码，返回步骤1-5，直到遍历完所有移相码，分别得到所有移相码对应的相位差值矩阵R₁、R₂...R_M，将所有移相码对应的原始相位矩阵拼接后得到当前通道的原始相位矩阵P_R，转入步骤1-7；

步骤1-7、计算当前通道的相位差值矩阵P_D：

P_D＝P_R-E*R₁

其中R₁是初始移相码对应的原始相位矩阵，E是n*1的全1矩阵，n为扫描频点编号，n＝1,2,3…,N，N为扫描频点总数，转入步骤1-8；

步骤1-8、打开相控阵阵面下一个通道的收发开关，其他通道在此过程中保持关闭，返回步骤1-3，直到遍历完所有通道，分别得到所有通道对应的相位差值矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，其特征在于，相控阵阵面任意一个通道对应的相位补偿矩阵的行表示扫描频点编号，列表示相位值，相位补偿矩阵中的值C_k,j表示在第j个扫描频点处，相位值P_k对应的的补偿移相码。

4.根据权利要求1所述的一种桌面与外场相结合的相控阵阵面校准方法，其特征在于，步骤2中对待测相控阵再进行外场校准，包括以下步骤：

步骤2-1、将待测相控阵移入外场，外场中设置标准喇叭天线，将待测相控阵阵面设置在转台上，标准喇叭天线和待测相控阵阵面分别连接矢量网络分析仪，通过转台转动，带动待测相控阵阵面的初始相位与标准喇叭天线相位中心对齐，转入步骤2-2；

步骤2-2、设置矢量网络分析仪的初始参数，包括起始频率、终止频率、步长、功率，矢量网络分析仪产生相应的射频发射信号，射频发射信号通过标准喇叭天线辐射出去，待测相控阵阵面收到辐射信号后送回矢量网络分析仪，形成测量环路，转入步骤2-3；

步骤2-3、任意打开相控阵阵面某一个通道的收发开关，该通道选通后转入步骤2-4；

步骤2-4、测量各个扫描频点在初始移相码处的相位值，得到该通道的外场初始相位矩阵P_I，转入步骤2-5；

步骤2-5、计算当前通道的外场相位矩阵P_O：

P_O＝P_D+E*P_I

其中，E是n*1的全1矩阵；转入步骤2-6；

步骤2-6、计算当前通道的相位偏移矩阵P_S：

其中，P_start为起始相位值，P_end为终止相位值，P_step为相位步进，e为M*N的单位矩阵，e_m表示单位矩阵e的第m行，e_n表示单位矩阵e的第n列，O_m,n表示外场相位矩阵P_O在第m行、第n列的值，转入步骤2-7；

步骤2-7、计算当前通道的相位补偿矩阵P_C：

其中，K为相位值个数，由P_start、P_end、P_step共同决定，P_j为第j个相位值，S_i为相位偏移矩阵P_S的第i列，w为K*N的单位矩阵，转入步骤2-8；

步骤2-8、打开相控阵阵面下一个通道的收发开关，其他通道在此过程中保持关闭，返回步骤2-4，直到遍历完所有通道，分别得到所有通道对应的相位补偿矩阵，转入步骤2-9；

步骤2-9、将各通道的相位补偿矩阵通过波控分机加载至相控阵阵面，转入步骤2-10；

步骤2-10、设相控阵阵面有X*Y个通道，天线阵元横间距为d_x，纵间距为d_y；当某个通道收到波束合成信号时，计算波束合成信号的相位值

其中，λ为波束合成信号的波长，由波束合成信号的频率f计算得到，θ为波束合成信号的方位角，β为波束合成信号的俯仰角，x表示通道的行编号，y表示通道的列编号，转入步骤2-11；

步骤2-11、根据波束合成信号的频率f和计算得到相位值查询该通道的相位补偿矩阵P_C，进而得到补偿移相码C_k,j，转入步骤2-12；

步骤2-12、将该通道中移相器的值置为补偿移相码，从而对波束合成信号进行补偿。